劉亞南，白美健，張寶忠，吳現(xiàn)兵,2，史 源

(1. 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點試驗室 中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；2. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院 保定 071001)

0 前 言

我國梨果年產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的68%[1]，水和肥料是確保梨果穩(wěn)產(chǎn)[2]、高產(chǎn)和提高品質(zhì)的2個重要因子，過量的水肥投入造成水、肥資源的極大浪費[3]。氮是作物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素之一，不合理的供給會造成梨樹新梢瘋長、陡長使得營養(yǎng)生長過剩并降低梨樹透光度，進而與生殖生長形成激烈競爭關(guān)系，抑制果實生長導(dǎo)致產(chǎn)量不增加甚至減產(chǎn)的現(xiàn)象，進而影響單果重量及果實品質(zhì)[4, 5]；另一方面，大量氮肥投入將嚴重損壞土壤結(jié)構(gòu)，致使土壤板結(jié)，影響作物生長，同時由于施肥方式和施肥量的影響導(dǎo)致過量的氮肥分解為N2O及NxO揮發(fā)污染大氣[6]，而進入土壤的氮肥超過作物吸收利用的部分將隨水分淋失進入地下水，引起地下水污染[7]。合理的水肥耦合方案和施用制度是確保梨果提質(zhì)增效、節(jié)水減污的有效措施。

大量研究表明，不合理的灌溉和施肥方案將導(dǎo)致資源浪費和加劇環(huán)境污染，只有合理的水肥耦合管理方式才能獲得最優(yōu)水肥促進效果[8]。史星雲(yún)等認為水肥耦合能促進果樹新梢生長保證樹勢[9, 10]，但過量N肥投入引起果樹新梢生長過剩；陳富等研究發(fā)現(xiàn)長期過量施氮會造成土壤中氮素大量累積[11]，超過作物需求時，施肥會導(dǎo)致土壤中硝態(tài)氮累積，其累積量隨施N量的增加而增加[12]；武陽等在研究中發(fā)現(xiàn)不合理的施氮方式是氮肥利用率低的主要因素[13]；唐龍[14]等認為果實對氮素的響應(yīng)不是單純的取決于氮肥管理，還受灌水的影響，灌水可以促進果樹對氮素的吸收。以往研究表明水肥對果樹生長和品質(zhì)的影響是相互的，但生長指標與品質(zhì)指標間的關(guān)聯(lián)度方面研究鮮有報道。為此本研究基于方差分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，基于大田試驗觀測所得梨樹在一個完整生長季的生長指標(新梢長、新稍基徑、葉面積和葉綠素含量)和采收期所觀測的果實品質(zhì)指標(單果重量、可溶性固形物含量、還原型Vc含量和可滴定酸含量)，首先分析了水氮耦合方案對各生長和品質(zhì)指標的影響及差異顯著性狀況，其次采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法研究了各個生長指標對果實品質(zhì)指標的貢獻度，研究結(jié)果為梨樹灌溉施肥和生產(chǎn)管理提供一定的技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗場地概況

該試驗在北京市大興區(qū)安定鎮(zhèn)的梨園中進行(北緯39°37′，東經(jīng)116°25′)。屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，多年平均年氣溫11.6 ℃，多年平均年降水量556.4 mm，梨園土壤質(zhì)地均為沙壤土(國際體系)。土壤為1.59 g/cm3，作物計劃濕潤層深度內(nèi)田間持水率平均值(體積)為35%。此外，測試現(xiàn)場有小型氣象站，可自動記錄溫度，濕度，風(fēng)速和其他氣象參數(shù)。灌溉水源為地下水，采用壓力補償式滴灌系統(tǒng)進行灌溉，施肥裝置采用比例施肥泵，滴頭流量為4 L/h，滴灌帶的內(nèi)徑為20 mm，滴頭之間的距離為0.5 m。

1.2 試驗設(shè)計

試驗供試試材為10 a齡黃金梨樹，田間試驗于2018年3月21日-9月9日進行。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)戶對灌溉和施肥的常規(guī)管理經(jīng)驗并結(jié)合前人研究結(jié)果，設(shè)定灌水下限和施氮量兩個因素，其中灌水下限設(shè)定2個水平(低水：65 %Fc；高水75 %Fc)，施氮量設(shè)定2個水平(低肥：162 kg/hm2；高肥：324 kg/hm2)。2個因素2個水平設(shè)定4個正交處理，分別為：低水低肥(W1F1)、低水高肥(W1F2)、高水低肥(W2F1)和高水高肥(W2F2)。同時，每個試驗處理設(shè)定3個重復(fù)，共12個試驗小區(qū)。不同試驗處理灌水施肥方案見表1。

注：表中Fc為試驗田間持水率。

圖1為大田試驗布置圖，如圖1中所示，每個試驗處理小區(qū)長為45 m。黃金梨樹株間距為3 m，共15株梨樹，同一處理下每個重復(fù)有5株梨樹。N肥選用當?shù)剞r(nóng)戶常用的尿素(N≥46 %)。梨園內(nèi)疏花、疏果和剪枝及病蟲害防治等田間管理措施均與當?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣保持一致。為保證各試驗小區(qū)養(yǎng)分和水分的均勻性，于試驗開始前對所有試驗小區(qū)進行均勻的大定額(300 m3/hm2)灌水。試驗開始后，各小區(qū)按照試驗設(shè)計灌水上下限進行灌溉，在黃金梨樹全生育期內(nèi)平均3～5 d使用Trime測定0～120 cm土層內(nèi)，每隔10 cm土層的土壤含水量。在黃金梨樹生育周期內(nèi)共施氮肥3次，分別為花展葉肥(4月3日)、幼果肥(5月6日)和果實膨大肥(7月20日)，具體氮肥施用方案見表1。

圖1 田間試驗方案布置圖Fig.1 Field experiment plan layout

1.3 指標測定及方法

本研究梨樹生長指標選用新梢長度、新梢基徑、葉片面積及葉片葉綠素含量，果實品質(zhì)指標采用單果重量、可溶性固形物含量(TSS)、還原型Vc含量(Vc)和可滴定酸含量(TAc)。

1.3.1 新梢生長量測定

梨樹葉芽萌發(fā)后長出的枝條，在當年落葉以前稱為新梢，試驗過程中每個重復(fù)選定一株梨樹，在選定株的4個方向上均勻選定4個新梢，使用鋼卷尺測定新梢長度，使用游標卡尺測定新梢基徑(距離新梢根部1 cm處)，4個新梢長度及基徑取均值。

1.3.2 葉片面積測定與公式擬合

在上述選定的新梢上選定3片葉子，使用量程為20 cm的直尺測定沿葉柄方向葉片的最大長度(l)和垂直葉柄方向最大寬度(b)，并于初次測量后隨機取60片葉片使用Canon掃描儀測定實際面積與長寬乘積進行擬合，得到擬合公式如下：

A=0.718 6bl+ 0.715 3

(1)

式中：A是葉片面積，cm2；b是葉片寬度，cm；l是沿葉片葉柄方向的最大長度，cm。

1.3.3 葉片葉綠素測定

葉綠素是高等植物和其他所有能進行光合作用的生物體含有的一類綠色色素，試驗中針對2.3.2中葉面積測定時選用的葉片樣本，使用SPAD-502型葉綠素儀測量所選葉片的葉綠素含量。

1.3.4 果實品質(zhì)指標測定

單果重量是果實外觀品質(zhì)的重要表現(xiàn)，在果實采收期，每個試驗重復(fù)選取1株，每株在各方向上均勻選取15個果實，稱量單果重量，并將量測的單果重量取均值。

果實風(fēng)味品質(zhì)指標主要選用可溶性固形物含量、還原型Vc含量(Vc)和可滴定酸含量。果實內(nèi)可溶性固形物含量、還原型Vc含量高和可滴定酸含量低的果實品質(zhì)最佳，果實采收期在每個處理小區(qū)隨機摘取3個外圍大小相似、均勻、無傷和無病蟲害具有代表性的果實，采摘后隨即用保鮮冰盒保鮮，低溫運回試驗室于-80 ℃保存，果實可溶性固形物含量采用手持折射儀(RHBO-90)測定；Vc 含量測定采用2, 6 一二氯酚靛酚滴定法；可滴定酸含量采用NaOH標準溶液滴定法測定。

1.4 統(tǒng)計分析方法

1.4.1 灰色關(guān)聯(lián)度

基于灰色關(guān)聯(lián)度[15-17]，分析計算梨樹營養(yǎng)生長指標對果實品質(zhì)的貢獻度?；疑P(guān)聯(lián)度方法的基本思想是將所有試驗處理作為一個灰色系統(tǒng)，每個水氮處理結(jié)果為灰色系統(tǒng)中的1個因素，根據(jù)各因素發(fā)展趨勢的相似程度判斷其關(guān)聯(lián)程度，試驗選取梨樹營養(yǎng)生長與果實品質(zhì)共8個指標，依據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度方法分別分析4個生長指標對梨樹各果實品質(zhì)指標的貢獻程度。

無量綱標準化處理：

(2)

式中：Xi(K)為數(shù)據(jù)無量綱標準化處理結(jié)果；xi(k)為各性狀原始數(shù)據(jù)；xi為同一性狀平均值；Si為同一性狀標準差；

參考數(shù)列與比較數(shù)列絕對差值計算：

Δi(k)=|X0(k)-Xi(k)|

(3)

式中：X0(k)為參考數(shù)列；Xi(k)為比較數(shù)列；i=1,2，…，m；k=1,2，…，n。

果實品質(zhì)與生長指標間關(guān)聯(lián)系數(shù)計算：

(4)

式中：ρ為分辨系數(shù)，范圍為(0,1)，本文取值0.5；Δi(k)min和Δi(k)max分別表示比較序列與參考序列絕對差值的最小(大)值。

關(guān)聯(lián)系數(shù)算數(shù)平均值：

(5)

式中：m為梨樹生長指標數(shù)；n為處理數(shù)。

1.4.2 數(shù)據(jù)分析

使用Excel軟件對試驗數(shù)據(jù)進行記錄并做初步處理，使用Graphpad 8.0對試驗數(shù)據(jù)進行One-way ANOVA和Two-way ANOVA方差檢驗，采用LSD對試驗數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合方案對梨樹營養(yǎng)生長的影響

表2給出了不同方案下各生長指標值及各指標值分別對灌水下限、施氮量以及2者交互影響的顯著性檢驗結(jié)果。整體上，除新梢長度外其余生長指標均對水、氮以及2者的交互作用形成極顯著的響應(yīng)(P<0.01)。從指標值來看，灌水下限和施氮量對新梢長度和新梢基徑的影響規(guī)律相似，提高灌水下限和增加施氮量能促進新梢梢長和基徑的增加，水氮交互作用對新梢基徑具有極顯著影響(P<0.001)，但對新梢梢長無顯著交互作用。新梢長度對提高灌水下限的響應(yīng)程度(P<0.001)比施氮量增加更為顯著(P<0.034)。

表2 不同方案下梨樹營養(yǎng)生長指標差異性檢驗結(jié)果Tab.2 Test results of differences in pear vegetative growth indexes under different schemes

注：ns表示無差異，**表示差異在0.034水平上顯著，***表示差異在0.01水平上顯著，****表示差異在0.001水平上顯著。

如表2所示，灌水下限和施氮量對梨樹葉片面積具有極顯著影響(P<0.001)。葉綠素含量對施氮量響應(yīng)關(guān)系(P<0.001)比對灌水下限(P<0.01)更為顯著。與梨樹新梢生長指標對水氮耦合方案響應(yīng)關(guān)系不同，梨樹葉片面積和葉片葉綠素含量只有在特定的水氮耦合方案下才會分別取得最小值和最大值，沒有一致規(guī)律。

新梢生長量合理增加是保持樹勢為果樹穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供營養(yǎng)基礎(chǔ)，從差異性檢驗結(jié)果(表2)不難發(fā)現(xiàn)，新梢生長量受灌水下限影響極顯著(P<0.001)，而施氮量對新梢長度和新梢基徑分別表現(xiàn)為顯著和極顯著差異，適當提高灌水下限和施氮量對提高新梢生長量具有顯著作用，但當2者施用量過高時，會導(dǎo)致營養(yǎng)生長過旺，影響果實生長發(fā)育；同理，葉片面積和葉綠素是作物進行光合作用的主要場所和物質(zhì)，水肥2因素對2者的變化具有不同影響，葉片面積只在不適合的水氮耦合方案下會顯著降低，而葉片葉綠素含量則需要在適宜的水氮方案下才能顯著提高。

2.2 水氮耦合方案對黃金梨果實品質(zhì)指標的影響

表3給出了不同方案下各果實品質(zhì)指標值及各指標值分別對灌水下限、施氮量以及2者交互影響的顯著性檢驗結(jié)果。各品質(zhì)指標對水、氮及2者交互作用響應(yīng)不一，施氮量與水、氮交互作用對單果重量影響不顯著，但提高灌水下限對單果重量影響顯著(P<0.01)，提高灌水下限和增加施氮量能促進單果重量提高，相同灌水下限時施氮量間單果重量不具有顯著性差異。水、氮交互作用與增加施氮量對提高果實可溶性固形物含量影響極顯著(P<0.001)，果實可溶性固形物含量對灌水下限和施氮量響應(yīng)關(guān)系并非單增或單減，各試驗方案下可溶性固形物含量具有顯著差異(P<0.05)，水、氮交互作用對其影響較大，適宜的水氮耦合方案能顯著提高可溶性固形物含量。施氮量對果實還原型Vc含量和可滴定酸含量影響(P<0.01)比提高灌水下限和水、氮的交互作用(P<0.05)更顯著，各處理間還原型Vc和可滴定酸含量具有顯著差異，提高施氮量能顯著增加還原型Vc含量，同樣，提高灌水下限和增加施氮量能降低果實內(nèi)可滴定酸含量。

表3 不同方案下果實品質(zhì)指標值及差異性檢驗結(jié)果Tab.3 Test results of fruit quality index difference under different schemes

注：*表示差異在0.05水平上顯著；其余注釋同表2。

2.3 不同水氮耦合下生長和果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)度

由式(4)可得梨樹生長指標對各果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)系數(shù)列于表4，由表4可知，不同水氮處理同一生長指標與各果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)系數(shù)不同，而同一水氮耦合處理下各生長指標關(guān)聯(lián)系數(shù)也是不一樣的，關(guān)聯(lián)系數(shù)的高低取決于參考數(shù)列與比較數(shù)列。

表4 各果實品質(zhì)指標與梨樹生長指標關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient between fruit quality indicators and pear growth indicators

表5為灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果算數(shù)平均值(所有處理的均值)與排序，均值越大、排序越小表明該生長指標與果實品質(zhì)關(guān)聯(lián)度越強。由表5可知，各生長指標對單果重量的貢獻度差異較大，關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為0.64～0.93，各生長指標對單果重量貢獻度大小排序為新梢長度>新梢基徑>葉片面積>葉綠素含量，新梢長度對其貢獻度最大，達0.93；各生長指標對可溶性固形物含量的貢獻程度差異不大，關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為0.61～0.69，貢獻度大小排序為新梢基徑>新梢長度>葉綠素含量>葉片面積，相比而言，新梢基徑對可溶性固形物含量貢獻度最大，高達0.69；各生長指標對還原型Vc含量貢獻度的差異也較大，關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為0.69～0.85，貢獻度大小順序為葉片面積>新梢長度>葉綠素含量>新梢基徑，葉片面積對還原型Vc含量貢獻度最大達0.85；各生長指標對可滴定酸含量貢獻度差異也較小，關(guān)聯(lián)系數(shù)范圍為0.65～0.69，其中以新梢基徑對可滴定酸含量貢獻度最大為0.69，各指標貢獻度大小排序為新梢基徑>新梢長度>葉片面積>葉綠素含量。

表5 灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果算數(shù)平均值與排序Tab.5 Grey correlation analysis result arithmetic average and ranking

如表5所示，梨樹在水氮耦合方案下的新梢長度與各果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)度較高，與4個指標關(guān)聯(lián)系數(shù)均為前2位，而新梢基徑除與還原型Vc關(guān)聯(lián)度為最差外，與其他3個果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)度均為前2位。因此，合理提高灌水下限和增加施氮量調(diào)控梨樹新梢生長量對改善果實品質(zhì)具有重要意義。葉片面積與還原型Vc關(guān)聯(lián)系數(shù)最大，表明相對其他生長指標果實還原型Vc含量受葉片面積影響較大，調(diào)節(jié)水氮方案控制葉片面積可有效改善果實還原型Vc含量。

3 結(jié) 論

水、肥是決定黃金梨樹生長指標和果實品質(zhì)指標的2個重要的可控環(huán)境因子[18]，不同水氮耦合方案決定果樹生長指標的變化同時也影響著養(yǎng)分在不同器官中的分配[19]，進而影響果實品質(zhì)。本研究基于梨樹整個生長期觀測所得生長指標和果實品質(zhì)指標值，分析得到如下結(jié)論。

(1)水氮耦合方案對黃金梨樹生長指標具有顯著影響(P<0.05)，提高灌水下限和增加施氮量能顯著增加梨樹新梢長度及新梢基徑，促進梨樹樹勢增加。葉片面積和葉綠素含量對水氮耦合方案響應(yīng)較為復(fù)雜，葉片面積只在不適水氮耦合方案下取得最小值，而葉片葉綠素含量只在適宜水氮耦合方案下才能取得最大值。

(2)水氮耦合作用對果實品質(zhì)具有顯著影響，各水氮耦合處理間具有顯著差異，相比而言，灌水下限對單果重量的影響極為顯著，而施肥量對其他3個指標的影響更為顯著，水氮交互作用對可溶性固形物含量影響非常顯著。提高灌水下限和增加施氮量能提高單果重量和降低可滴定酸含量，可溶性固形物含量與還原型Vc含量對水氮耦合效果較為復(fù)雜，不存在隨著灌水下限提高和施氮量增加表現(xiàn)出單增或單減。

(3)根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新梢長度對各果實品質(zhì)指標的貢獻度較大，均排在前2位，新梢基徑除對還原型Vc含量關(guān)聯(lián)度較小外，與另外3個果實品質(zhì)指標關(guān)聯(lián)系數(shù)均排在前2位，葉片面積對果實還原型Vc含量關(guān)聯(lián)度最大，達0.85。

綜上所述，水氮耦合方案能顯著改善梨樹生長狀況，進而提高果實品質(zhì)，但果實品質(zhì)的提高不只通過水、肥或水肥交互作用本身，還依靠梨樹生長指標與果實品質(zhì)之間的相互關(guān)系，因此在研究過程中不僅要著眼于水肥本身對梨樹生產(chǎn)的影響，還應(yīng)基于水肥2調(diào)控因子，在不同時期調(diào)整管理方案，協(xié)調(diào)梨樹各器官對養(yǎng)分吸收及分配關(guān)系，優(yōu)化新梢生長量，兼顧葉片面積及葉片葉綠素含量進而提高果實品質(zhì)。